陀螺仪是用于测量物体角速率的惯性传感器件,是惯性导航领域的重要基础组件之一,被广泛应用于工业生产、消费电子及特殊用途等领域。基于MEMS技术的陀螺仪具有体积小、功耗低和可批量生产等优点,是未来器件集成化发展的重要方向之一。MEMS轴对称陀螺具有高度对称的结构,同时拥有多对简并模态,且能够工作在速率模式和速率积分模式下。其中,速率模式拥有高精度测量的优点,但是量程和带宽受限;速率积分模式拥有大量程和宽带宽的优势,但存在角度噪声大的缺点。为了实现MEMS轴对称陀螺兼具高精度和大量程特点,基于单芯片双谐振子环式陀螺进行研究,使两个谐振子分别工作在速率模式和速率积分模式下,充分结合两种工作模式的特点,实现优势互补。本文基于双谐振子MEMS陀螺结构特点和工作原理设计并实现高精度测控电路,在算法方面采用陀螺双工作模态闭环控制,最终达到兼顾高精度与大量程兼顾的测量要求。主要研究内容包括:首先,在MEMS谐振陀螺基本工作原理研究基础上,针对单芯片双谐振子陀螺敏感结构驱动和检测控制原理进行分析;从陀螺速率和速率积分模式检测机理出发,对两种工作模式进行建模分析。从理论分析可以看出,速率模式下具有低转速测量高精度的优势,而速率积分模式具有大量程的优点,可以通过双谐振子陀螺充分结合两种工作模式的优点,实现高精度与大量程兼顾的目的。其次,根据单芯片双谐振子陀螺结构特点和信号检测方式,设计陀螺前置低噪声信号拾取模拟接口电路,包括低噪声电荷放大器、检波和滤波电路及信号放大电路;同时,采用相应模数转换及FPGA电路来实现信号处理及闭环控制功能。在硬件电路的基础上,建立双谐振子陀螺控制系统的Matlab/Simulink模型进行仿真验证。速率模式由自动增益控制回路和锁相环回路构成的驱动闭环及敏感科氏闭环回路组成,而速率积分模式基于Lynch算法实现。完成双谐振子测控系统功能仿真验证后,通过Vivado实现数字化控制系统的编译。最后,由于工艺缺陷和装配误差的存在,会导致刚度和阻尼不对称。通过对速率和速率积分模式下误差源对输出的影响进行误差补偿,采用静电调谐和正交闭环实现刚度和阻尼不对称的抑制;在速率积分模式下,为进一步降低刚度和阻尼不对称对进动角速率的影响,提出傅里叶级数误差模型对残余刚度和阻尼误差进行抑制,在降低阈值的同时减小角速率波动并提高标度因数线性度。实验结果表明,模拟接口电路噪声可达230nV/VHz,在误差补偿后该陀螺量程可达±12000°/s,标度因数非线性达到596ppm,零偏不稳定性为3.5°/h,带宽可达到200Hz,实现了硅微轴对称陀螺大量程、高精度的目的,该研究成果对于实现导航级硅微陀螺的工程化应用具有一定的参考价值。